DE2628136A1

DE2628136A1 - Vorrichtung zum aufrechterhalten einer etwa konstanten oberflaechengeschwindigkeit eines sich drehenden werkstuecks

Info

Publication number: DE2628136A1
Application number: DE19762628136
Authority: DE
Inventors: Clarence Roy Edwards; John James Nolan
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-01-20
Also published as: JPS6216270Y2; GB1541106A; JPS525073A; DE2628136C2; US3976861A; JPS60100139U

Description

DipHng. Woiluang MaM

6 Frankfurt a. M. 1
Porksiraße 13

8479

GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA

Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer etwa konstanten Oberflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer etwa konstanten Oberflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks, das von einem sich bewegenden Schneidwerkzeug bearbeitet wird, unter Verwendung von Signalen in codierter Digitaldarstellung.

Wenn man auf einer Drehbank ein sich drehendes Werkstück aus Metall bearbeitet, hat es sich gezeigt, daß die Leistungsfähigkeit der maschinellen Bearbeitung und die Qualität der Oberfläche des Erzeugnisses optimiert werden können, wenn es möglich ist, die Oberflächengeschwindigkeit des bearbeiteten Werkstücks auf einem konstanten Wert zu halten. Die Aufrechterhaltung einer konstanten Oberflächengeschwindigkeit stellt ein Problem dar, da der Durchmesser des Werkstücks während der Bearbeitung ab-

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nimmt und daher auch die Oberflächengeschwindigkeit des ¥erkstücks kleiner wird, wenn die Drehzahl des Werkstücks konstant gehalten wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Oberflächengeschwindigkeit dem Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit des sich drehenden Werkstücks und aus dem Radius des Werkstücks proportional ist. Um eine konstante Oberflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks aufrechtzuerhalten, dessen radiale Abmessung während der Bearbeitung ständig herabgesetzt wird, ist es bekannt, die Spindeldrehzahl in Abhängigkeit von abgefühlten inkrementalen Änderungen im Durchmesser des Werkstücks zu ändern. Wenn man beispielsweise ein Werkstück im Durchmesser um zehn radiale Längeneinheiten vermindern will und die Oberflächengeschwindigkeit jedesmal anpassen will, sobald der Radius des Werkstücks um 1/4 einer Längeneinheit vermindert worden ist, benötigt man vierzig getrennte Programmsteuerblökke, um vierzig getrennte Befehle einzuleiten. Eine Längeneinheit kann beispielsweise 2,5 cm betragen. Wenn man diese bekannte Vorgehensweise befolgt, erhält man ein Werkstück mit einer sehr rauhen Oberflächenbeschaffenheit, und die Genauigkeit des Abstiches ist stark begrenzt. Um eine höhere Genauigkeit in Verbindung mit einer glatteren Oberfläche zu erhalten, wäre es notwendig, noch mehr Programmbefehle vorzusehen. Eine Erhöhung der Programmbefeh-Ie führt aber zu einem untragbar schlechten Ansprechverhalten der Vorrichtung.

Abweichend davon wurde es bereits versucht, das anstehende Problem mit Analogverfahren zu lösen, und zwar dadurch, daß manuell ein Potentiometer eingestellt wird oder daß selbsttätig die Verstärkung eines Analogverstärkers als Funktion der Motorspindeldrehzahl gesteuert wird. Diese Analogverfahren sind aber ebenfalls hinsichtlich der Genauigkeit und der Ansprechzeit begrenzt.

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Ein weiteres Verfahren ist aus der US-PS 3 665 170 bekannt. Danach wird von dem Produkt aus dem tatsächlichen Radius des Werkstücks und aus der Spindeldrehzahl Gebrauch gemacht. Dieses Produkt erhält man durch Integration über eine Zeitperiode unter Verwendung eines Differentialdigitalanalysators. Da es jedoch in diesem Fall erforderlich ist, auf den Überlauf des Differentialdigitalanalysators über der Integrationsperiode zu warten, bevor eine Korrektur vorgenommen werden kann, ist die Ansprechzeit sehr groß. Mit zunehmend kleiner werdendem Radius des Werkstücks ist es erforderlich, die Drehzahl des Werkstücks oder der das Werkstück halternden Spindel zunehmend schneller zu ändern, um die Oberflächengeschwindigkeit des Werkstücks konstantzuhalten. Da der aus der US-PS 3 665 170 bekannten Integrationstechnik eine langsame Arbeitsweise eigen ist, zeigt die Vorrichtung ein unzureichendes dynamisches Verhalten, das für größere Abstichbereiche zu keinen befriedigenden Ergebnissen führt, insbesondere wenn hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten gefordert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Verwendung in einer numerischen Steueranlage zwecks Aufrechterhaltung einer konstanten Oberflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks, das von einem sich bewegenden Schneidwerkzeug bearbeitet wird, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein gutes dynamisches Verhalten zeigt und eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zuläßt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen *

Zuzätzlich zu der gelösten Aufgabe bietet der Erfindungsgegenstand den Vorteil, daß man das Werkstück über einen großen Abstichbereich bis hinunter zu sehr

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kleinen Werkstückradien mit großer Genauigkeit bearbeiten kann, da selbst bei hohen Schneidgeschwindigkeiten eine schnelle Anpassung der Spindeldrehzahl möglich ist.

Die Erfindung wird im einzelnen an Hand einer Zeichnung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer nach der Erfindung ausgebildeten Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Oberflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks, das von einem sich bewegenden Schneidwerkzeug bearbeitet wird.

EirE Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Oberflächengeschwindigkeit (KOG) eines sich drehenden Werkstücks, das von einem sich bewegenden Werkzeug bearbeitet wird, enthält ein K-(BCD)-Register 10, ein KOG-(BCD)-Register 12, einen arithmetischen Multiplizierer 14, ein K·KOG-(BCD)rSpeicherregister 16, ein R-(BCD)-Register 18, ein UEM-(BCD)-Register 20, einen arithmetischen Multiplizierer 22, ein R-UPM-(BCD)-Register 24, eine VergleicherSteuereinheit 26, ein Sperrglied 28, ein GBM-(BCD)-Register 30, einen arithmetischen Multiplizierer 32 und einen "Multipliziere mit 100"-Multiplizierer 34.

Das Multiplikationsprodukt aus der gewünschten konstanten Oberflächengeschwindigkeit (KOG) des gerade bearbeiteten Werkstücks und aus einer Umwandlungskonstanten (K) wird hier gleich dem Multiplikationsprodukt aus dem Radius (R) des gerade bearbeiteten Werkstücks und aus der Drehzahl (UPM) der Spindel oder des Werkstücks gemacht. Wenn die konstante Oberflächengeschwindigkeit in Vielfachen von zwölf Längeneinheiten (gemessen auf der Oberfläche) pro Minute und der Radius des Werkstücks in einer dieser Längeneinheiten angegeben wird, ist die Umwandlungs- oder

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Umrechnungskonstante (K) gleich 12/2 π oder 1,9099. In diesem Fall kann es sich bei dem Register 10 um ein übliches Schieberegister handeln, das in der Lage ist, ein Signal in acht binärcodierten Dezimalziffern zu erhalten, die die vorgegebene Umwandlungskonstante (K) darstellen. ' Bei dem Register 12 kann es sich ebenfalls um ein Schieberegister handeln, das geeignet ist, ein Signal mit vier binärcodierten Dezimalziffern zu erhalten, die die vorgegebene gewünschte konstante Oberflächengeschwindigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks darstellen. Das mit S10 bezeichnete Ausgangssignal des Registers 10 wird einem ersten Eingangsanschluß B-j des arithmetischen Multiplizierers 14 zugeführt. Das mit S12 bezeichnete Ausgangssignal des Registers 12 wird einem zweiten Eingangsanschluß Bp des arithmetischen Multiplizierers 14 zugeführt. Bei dem Multiplizierer 14 handelt es sich um einen Multiplizierer üblicher Art, dessen mit S14 bezeichnetes Ausgangssignal dem Produkt aus der Umwandlungskonstanten (K) und aus der konstanten Oberflächengeschwindigkeit (KOG) entspricht. Dieses Ausgangssignal S14 wird dem Eingangsanschluß des Registers 16 zugeführt. Bei dem Register 16 kann es sich um ein Speicherregister üblicher Art oder um einen Kernspeicher handeln, der das Produkt aus der Umwandlungskonstanten und der gewünschten konstanten Oberflächengeschwindigkeit in binärcodierter Dezimalzifferdarstellung speichert.

Das Register 18 ist ebenfalls ein Schieberegister, das in der Lage ist, ein Signal E^ zu empfangen, das ursprünglich in der Form von sieben binärcodierten Dezimalziffern ausgedrückt wird und das zunächst den Anfangsradius und später den auf den neuesten Stand gebrachten Radius des Werkstücks darstellt, und zwar mit einer Genauigkeit bis zu 0,0001 Längeneinheiten. Der Anfangsradius des Werkstücks ist bekannt und damit vorgegeben. Wenn sich der

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Radius des Werkstücks während des Bearbeitungs- oder Schneidvorganges verkleinert, erhält das Register 18 fortlaufend auf den neuesten Stand gebrachte Signale E₁, die die Änderungen im Radius des Werkstücks in Schritten von 0,0001 Längeneinheiten angeben. Der tatsächliche Radius des Werkstücks wird gewöhnlich als der Abstand zwischen der Schneidkante des Schneidwerkzeugs und der Mittenachse des Werkstücks oder der Spindel bestimmt, die das Werkstück haltert. Dieser Abstand kann in einfacher Weise erfaßt und in ähnlicher Weise, wie es in der ÜS-PS 3 665 170 beschrieben ist, in das Signal E₁ umgesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, wird das Signal E₁ dem Eingangsanschluß des Registers 18 zugeführt. Das mit S18 bezeichnete Ausgangssignal des Registers 18 wird an einen ersten Eingangsanschluß F₁ des arithmetischen Multiplizierers 22 gelegt. Bei dem Register 20 handelt es sich ebenfalls um ein Schieberegister, das ein Signal G₁ erhält, das vier binärcodierte Dezimalziffern aufweist.

Das Signal G₁ kann einen Anfangswert haben, der einer Drehzahl zwischen 0 und 1000 UpM einschließlich entspricht. Das mit S20 bezeichnete Ausgangssignal des Registers 20, entspricht einer möglicherweise besser auf den neuesten Stand gebrachten, binärcodierten UPM-Dezimalzahl und ist an einen zweiten Eingangsanschluß F₂ des arithmetischen Multiplizierers 22 gelegt. Der arithmetitische Multiplizierer 22 kann von ähnlicher Bauart wie der arithmetische Multiplizierer 14 sein und gibt ein mit S22 bezeichnetes Ausgangssignal ab, das das Multiplikationsprodukt aus dem Radius (R) des Werkstücks und aus der Drehzahl (UPM) der Spindel oder des Werkstücks darstellt. Das Signal S22 wird dem Eingangsanschluß des Speicherregisters 24 zugeführt, bei dem es sich um ein

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übliches Speicherregister oder einen Kernspeicher üblicher Art handeln kann.

Die in den Speicherregistern 16 und 24 gespeicherten Signale werden als Ausgangssignale S16 bzw. S24 den Eingangsanschlüssen I^ und Ip der Vergleichersteuereinheit 26 zugeführt. Die Vergleichersteuereinheit 26, bei der es sich um einen geeigneten üblichen Vergleicher handeln kann, vergleicht die an ihren Eingangsanschlüssen I.. und Ip anliegenden Signale miteinander und führt, falls diese Signale nicht gleich sind, von ihrem "unteren" Ausgangsanschluß ein AusgangsSignal S26A zum Eingangsanschluß des Registers 20 zurück, um das binärcodierte Dezimalsignal G^ (das die angenommene Drehzahl des Werkstücks darstellt) so lange einzustellen, bis die an den Eingangsanschlüssen I^ und Ip der Vergleichersteuereinheit 26 auftretenden Eingangssignale annähernd einander gleich sind. Jetzt steht fest, daß das Signal S20 (das die Drehzahl des Werkstücks oder der Spindel darstellt) dem gewünschten Wert entspricht, und das "am oberen" Ausgangsanschluß der Vergleichersteuereinheit 26 auftretende Ausgangssignal S26B wird an einen Freigabeanschluß J^ des Sperrglieds 28 gelegt. Ferner wird dem Sperrglied 28 über seinen Eingangsanschluß J, das Signal S20 zugeführt, das die gewünschte Drehzahl darstellt. Das jetzt vorhandene Signal S26B ermöglicht eine Durchschaltung des Signals S20 in der Form eines am Ausgang des Sperrglieds auftretenden Ausgangssignals S28. Wenn die Signale S16 und S24 einander nicht gleich sind und daher kein Signal S26B vorhanden ist, ist das Sperrglied 28 gesperrt.

Das Register 30 ist ebenfalls ein übliches Schieberegister, das ein Signal GBM erhält, bei dem es sich um acht binärcodierte Dezimalziffern handelt, die dem Kehrwert der maximal zulässigen Drehzahl der Spindel oder des

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Werkstücks für einen ausgewählten Übersetzungs- oder Getriebebereich entsprechen. Wenn beispielsweise die maximal zulässige Drehzahl der Spindel oder des Werkstücks für ein ausgewähltes Getriebe- oder Übersetzungsverhältnis nicht größer als 2500 UpM sein soll, ist das den Getriebebereichsmultiplikator (GBM) darstellende Signal gleich 0,00040000. Dieses besondere Signal GBM wird im Register 30 gespeichert und wird in der Form eines am Ausgang des Registers 30 auftretenden Ausgangssignals S30 einem Eingangsanschluß L₁ des arithmetischen Multiplizierers 32 zugeführt. Ein am Ausgang des Sperrglieds 28 auftretendes Signal S28, das die gewünschte Spindeldrehzahl darstellt, wird an einen Eingangsanschluß Lp des arithmetischen Multiplizierers 32 gelegt. Bei dem arithmetischen Multiplizierer 32 handelt es sich um einen Multiplizierer üblicher Art, wie er auch für die arithmetischen Multiplizierer 14 und 22 verwendet wird. Die an die Eingangsanschlüsse des arithmetischen Multiplizierers 32 gelegten Signale S28 und S30 werden miteinander multipliziert, und das resultierende Multiplikationsprodukt wird in der Form eines am Ausgang des arithmetischen Multiplizierers 32 auftretenden Ausgangssignals S32 dem Eingang des Multiplizierers 34 zugeführt. Bei dem Multiplizierer 34 handelt es sich um einen üblichen Multiplizierer des Dezimaltyps, der das Signal S28 mit dem Faktor 100 multipliziert. Das am Ausgang des Multiplizierers 34 auftretende Ausgangssignal S34 tritt in der Form einer binärcodierten Dezimalzahl auf, die der gewünschten prozentualen Spindelmotordrehzahl entspricht. Das Signal S34 wird einem externen Digital-Analog-Umsetzer zugeführt und gelangt dann zu einem Spindelmotor, um die Drehzahl der Spindel und des Werkstücks auf den gewünschten Wert einzustellen oder einzuregeln. Die weitere Verarbeitung des dem Digital-Analog-Umsetzer zugeführten Signals S34 sowie der Aufbau und die Wirkungsweise des Spin-

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deliaotors sind beispielsweise in der US-PS 3 665 170 beschrieben. Wenn das Ausgangssignal S34 des Multiplizierers 34 gleich oder größer als 100% ist, bedeutet dies, daß die gewünschte Spindeldrehzahl gleich oder größer als die maximal zulässige Spindeldrehzahl für den ausgewählten Übersetzungs- oder Getriebebereich ist· Unter diesen Umständen sollte der ausgewählte Übersetzungsoder Getriebebereich geändert werden, um eine größere maximal zulässige Spindeldrehzahl zuzulassen. Dieser Vorgang kann entweder manuell oder selbsttätig ausgeführt werden. Falls ein solcher Bereichswechsel stattfindet, wird ein neues Getriebebereichsmultiplikator-Signal GBM in der Form einer achtziffrigen binärcodierten Dezimalzahl in das Register 30 eingegeben.

Das in dem Digital-Analog-Umsetzer und in einem in der US-PS 3 665 170 beschriebenen Spindelservoantrieb verarbeitete Signal S34 dient zur Einstellung der Spindeldrehzahl auf einen UPM-Wert, der eine relativ konstante Oberflächengeschwindigkeit des von dem sich bewegenden Schneidwerkzeug bearbeiteten Werkstücks sicherstellt. Wenn der Radius des Werkstücks um das 0,0001fache einer Längeneinheit vermindert wird, erhält das Register 18 ein neues Eingangssignal E^, das gegenüber dem vorangegangenen Wert entsprechend herabgesetzt ist. Folglich wird der Wert des Signals S24 vermindert, das das Produkt aus dem Radius des Werkstücks und der zuvor gewünschten Drehzahl der Spindel oder des Werkstücks darstellt. Das Signal S24 hat daher jetzt einen kleineren Wert als das Signal S16, das das Produkt aus der Umwandlungskonstante und der gewünschten konstanten Oberflächengeschwindigkeit darstellt. Demzufolge wird das Sperrglied 28 gesperrt, und die VergleicherSteuereinheit 26 gibt das Ausgangssignal S26A ab. Das nun auftretende Signal S26A gelangt zum Eingangsanschluß des Registers

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Dadurch wird der Wert des Signals S20, bei dem es sich um die binärcodierte Dezimalzahl handelt, die die gewünschte Drehzahl darstellt, so lange erhöht, bis die an den Eingangsanschlüssen I^ und Ip der Vergleichersteuereinheit auftretenden Signale wieder näherungsweise gleich sind. Sobald dies der Fall ist, wird das Sperrglied 28 erneut freigegeben, und das Sperrglied 28 gibt ein neues Signal S28 in der Form einer binärcodierten Dezimalzahl ab, die die gewünschte Drehzahl darstellt. Das neue Signal S28 wird wieder mit dem Signal S30, das dem Multiplikator für den Übersetzungs- oder Getriebebereich entspricht, multipliziert und dann dem Multiplizierer 34 zugeführt, um in binärcodierter Dezimalziffemdarstellung das gewünschte Signal S34 zu erzeugen, das anschließend in eine Form umgesetzt und verarbeitet wird, die geeignet ist, um die Drehzahl der Spindel, die das Werkstück haltert, zu ändern bzw. auf den neuesten Stand zu bringen, und zwar in einer solchen Weise, daß eine konstante Oberflächengeschwindigkeit des bearbeiteten Werkstücks aufrechterhalten wird. Die Vorrichtung fährt mit ihrer beschriebenen Arbeitsweise so lange fort, bis das Werkstück auf die gewünschte endgültige Form vermindert ist. Dabei wird stets die relativ konstante Oberflächengeschwindigkeit des Werkstücks aufrechterhalten. Da die beschriebene Vorrichtung in einfacher und direkter Weise das Signal erzeugt, das zum Aufrechterhalten der gewünschten konstanten Oberflächengeschwindigkeit des Werkstücks erforderlich ist, ohne dabei von Integrationsschaltungen oder möglicherweise instabil werdenden geschlossenen Schleifen Gebrauch zu machen, treten beim Erfindungsgegenstand nicht die Unzulänglichkeiten auf, die bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik vorhanden sind_e

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Claims

Patentansprüche

1.J Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer etwa konstanten überflächengeschwindigkeit eines sich drehenden Werkstücks, das von einem sich bewegenden Schneidwerkzeug bearbeitet wird, unter Verwendung von Signalen in codierter Digitaldarstellung, gekennzeichnet durch

a) Einrichtungen (10, 12, 14, 16) zum Speichern eines ersten Signals (S16), dessen Wert der gewünschten konstanten Oberflächendrehzahl des Werkstücks proportional ist,

b) ein Register (18) zur Aufnahme eines zweiten Signals (E₁, S18), das den laufenden Wert der radialen Abmessung des Werkstücks darstellt,

c) Einrichtungen (20) zum Speichern eines dritten Signals (G₁, S20), das anfangs eine angenommene Drehzahl des Werkstücks darstellt,

d) Einrichtungen (22, 24) zum arithmetischen Multiplizieren der Werte des zweiten und des dritten Signals (S18 und S20) zwecks Erzeugung eines vierten Signals (S22, S24), das das resultierende Multiplikationsprodukt darstellt, und zum Speichern dieses vierten Signals,

e) Einrichtungen (26) zum Vergleichen des ersten Signals (S16) mit dem vierten Signal (S24) und zum Liefern eines fünften Signals (S26A, S26B) als resultierendes Vergleichsergebnis,

f) Einrichtungen zum Anlegen des fünften Signals (S26A) an die das dritte Signal speichernden Einrichtungen (20) zwecks Einstellung des Wertes des dritten Signals und

g) Einrichtungen (28) zum Erzeugen eines sechsten Signals (S28), das die erforderliche Drehzahl des Werkstücks darstellt, wenn die miteinander verglichenen ersten und vierten Signale (S16 und S24) annähernd einander gleich sind, um die Drehzahl eines Motors zu steuern, der eine das Werkstück halternde Spindel antreibt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die das erste Signal speichernden Einrichtungen enthalten:

a) ein erstes Schieberegister (12) für ein siebtes Signal (S12), das die gewünschte konstante Oberflächengeschwindigkeit des Werkstücks darstellt,

b) ein zweites Schieberegister (10) für ein achtes Signal (S10), das eine Umrechnungskonstante darstellt,

c) eine Einrichtung (14) zum arithmetischen Multiplizieren der Werte des siebten und des achten Signals (S12 und S10) zum Erhalten des ersten Signals und

d) ein Speicherregister (16) zum Speichern des ersten Signals (S16).

3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3» gekennzeichnet durch

a) Einrichtungen (30) zum Speichern eines weiteren Signals (GBM, S30), und zwar ebenfalls in codierter Digitaldarstellung, dessen Wert dem Kehrwert einer maximal zulässigen Drehzahl des Werkstücks für einen ausgewählten Über Setzungsbereich entspricht,

b) Einrichtungen (32) zum Multiplizieren der Werte des sechsten Signals (S28) und des weiteren Signals (S30) zum Erzeugen eines resultierenden Multiplikationsproduktsignals (S32), das ebenfalls in codierter Digitaldarstellung vorliegt, und

c) Einrichtungen (34) zum Multiplizieren des Multiplikationsproduktsignals (S32) mit einem Faktor vom Wert 100, um ebenfalls in codierter Digitaldarstellung ein endgültiges Signal (S34) zu erhalten, das die prozentuale Motorspindeldrehzahl darstellt und zur Steuerung der Oberflächendrehzahl des Werkstücks dient.

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4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den digitalcodierten Signalen um Signale in binärcodierter Dezimalzifferndarstellung handelt.

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AH

L e e r s e i t e